CN1900645A - 直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，包括：电源电路、直流模拟信号发生电路、一个电流给定仿真电路、一个电压给定仿真电路、若干个电流反馈信号仿真电路，若干电压反馈信号仿真电路，以及模拟油缸压力反馈电路，采用本发明，在离线状态下即能进行直流电弧炉引弧、短路、反断弧、绝缘材料、液压缸泄漏等电弧控制及相关保护模型的测试，可有效地压缩在线调试时间，并解决了一些保护功能难以在线仿真测试的问题。

Description

直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置

技术领域

本发明涉及一种仿真模拟调试装置，尤其涉及一种用于直流电弧炉电极升降与整流控制系统整体联动的仿真模拟调试的装置。

背景技术

图1为直流电弧炉基本回路组成，冶炼直流电源部分设备主要由整流变压器、整流器、电抗器、水冷电缆与导电铜⊿管(或导电横臂)、电极夹持器、石墨电极(阴极)以及底电极(阳极)组成，形成向炉子的能量供给源。冶炼电功率的控制即电弧功率控制，主要通过调节电弧电压——通过电极升降控制(当前一般采用液压升降形式)，同时调节电弧电流——通过整流器电流控制来实现。

电弧电流为各台整流器电流的和，由公式1表示。

    I_arc＝∑I_i                           (公式1)

其中i∈{1，2，…，n}，n为整流器总台数，I_i为各台整流器电流。

电弧电压Uarc(V)理论值可由公式2表示。

    U_arc＝E_p×l+V_e                       (公式2)

其中E_p为电弧柱的平均电位梯度≈1.0V/mm(因炉况和炉渣的影响等，实际在0.5～2.0V/mm的范围内)；l为电弧长度(mm)；V_e为电弧阴极压降+阳极压降+电极附近其他电压降＝30～50V。

但在实际应用中，电弧电压计算一般采用公式3。

    U_arc＝U_j-(R*I_arc+r_j*I_j)              (公式3)

其中：U_j＝min(U_i)，i∈1，2，…，n}，n为整流器总台数；I_j为相应整流器电流值；R为线路阻抗；r_j为相应整流器内阻。

电极升降控制与整流器电流控制为直流电弧炉的核心控制部分，也为直流电弧炉的控制难点所在，上述弧压与弧流控制并不完全相互独立，存在密切的配合关系，从而形成了引弧、短路、反断弧、绝缘材料、液压缸泄漏等电弧控制及相关保护控制功能。

上述控制及保护功能的调试同样为直流电弧炉技术难点。直接在线调试具有很大的风险，如可能造成电极折断、整流器过流跳电等设备事故；同时，某些功能——特别是一些设备异常情况下的保护功能很难仿真测试。

当前在系统调试过程中，一般采用离线仿真测试，但困难在于电压、电流及电极升降油缸压力反馈信号的模拟上。反馈信号模拟通常又有两种做法，一种是外接信号源，另一种是在控制系统内通过强制变量来模拟上述反馈信号。但无论哪种方式，均存在下列问题：①操作复杂；②很难仿真动态过程；③更难仿真动态过程的配合关系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，该装置操作简单，能仿真反馈信号的动态过程以及信号间的动态配合关系，方便实现直流电弧炉电弧控制及相关保护功能的离线完整测试，并有效压缩系统调试时间。本装置解决了传统的系统调试过程中信号模拟(外加信号源或软件内部变量强制)操作复杂、反馈与给定的同步以及反馈的动态过程难以仿真的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，包括：

电源电路，其为电路提供直流电源；

直流模拟信号发生电路，其提供一固定的直流电压信号。

一个电流给定仿真电路，其与所述的直流模拟信号发生电路相连接，输出一可调电压；

一个电压给定仿真电路，其与所述的直流模拟信号发生电路相连接，输出一可调电压；

若干个电流反馈信号仿真电路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，各包括一给定积分电路，所述给定积分电路对可调电压信号进行积分；

若干电压反馈信号仿真电路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，各包括一给定积分电路，所述给定积分电路对可调电压信号进行积分；

模拟油缸压力反馈电路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，其输出一可调电压；

进一步地，本发明还包括：

控制与保护电路，其与所述的电压给定仿真电路、电流给定仿真电路、若干电压反馈信号仿真电路、若干电流信号反馈电路均相连接，

信号切换电路，其与所述的电压给定仿真电路、电流给定仿真电路、若干电压反馈信号仿真电路、若干电流反馈信号仿真电路均连接，用于实现实际信号与仿真信号之间的切换。

备用回路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，包括一给定积分电路，所述给定积分电路对可调电压信号进行积分；当上述电压、电流仿真给定或仿真反馈以及压力仿真反馈信号回路出现故障时，可用此备用回路替换。

本发明旨在仿真直流电炉电弧电压与电流给定信号、整流器电压与电流随上述阶跃给定的动态过程、以及电极升降油缸压力信号。通过仿真上述给定与反馈信号的各种不同组合情况，实现对直流电炉核心控制系统——电极升降控制与整流控制系统的控制模型与各种控制与保护功能的仿真测试。采用本发明，在离线状态下即能进行直流电弧炉引弧、短路、反断弧、绝缘材料、液压缸泄漏等电弧控制及相关保护模型的测试(电压、电流PID控制特性测试除外)，可有效地压缩在线调试时间，并解决了一些保护功能难以在线仿真测试的问题。

附图说明

图1是现有的直流电弧炉基本结构示意图。

图2是控制及保护功能的仿真模拟调试装置的电路模块结构示意图。

图3是本发明的具体电路结构示意图。

图4是仿真电压设定阶跃信号示意图。

图5是仿真电流设定阶跃信号示意图。

图6是给定积分电路的具体电路结构示意图。

图7是给定积分电路的输入输出特性示意图。

图8是信号切换电路的示意图。

图9是信号切换电路的具体结构示意图。

图10是连锁保护电路的结构示意图。

具体实施方式

结合图2、图3所示，本发明的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置包括：

电源电路，其输出±24V直流电压；

直流模拟信号发生电路，其提供+10V直流电压信号。

一个电流给定仿真电路，其与所述的直流模拟信号发生电路相连接，输出0-10V可调；所述输出通过图3中可调电位器R₂调节，并由图3中电压表V₂指示；在本具体实施例中不论仿真还是实际的电流给定信号均采用电压信号，控制系统内部再做转换，如0V对应0A、10V对应最大工作电流36KA等。

一个电压给定仿真电路，其与所述的直流模拟信号发生电路相连接，输出0-10V内可调电压；所述输出通过图3中可调电位器R₁来调节，并由图3中电压表V₁指示。

若干个电流反馈信号仿真电路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，各包括一给定积分电路，所述给定积分电路的总传递函数为：

    G(s)＝U_o(s)/U_i(s)＝1/Ts+1

其中：积分时间常数T＝(R₄+R_p)C，实现对由图3中可调电位器R₇、R₈、R₉或R₁₀调定的电压信号(由图3中电压表V₇、V₈、V₉或V₁₀指示)进行积分，从而仿真实际电流反馈信号。同时其积分饱和输出即为可调电位器R₇、R₈、R₉或R₁₀调定的电压值，从而可以进一步仿真过流(当由可调电位器R₇、R₈、R₉或R₁₀调定的电压信号大于由可调电位器R₂调定的仿真电流给定信号)或电流无法达到给定值(当由可调电位器R₇、R₈、R₉或R₁₀调定的电压信号小于由可调电位器R₂调定的仿真电流给定信号)等电流异常情况。另外，当调节可调电位器R_p使各仿真电流反馈的积分时间常数T不一致时，还可进一步模拟电流反馈不同步的电流异常情况。

若干电压反馈信号仿真电路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，各包括一给定积分电路，所述给定积分电路的总传递函数为：

    G(s)＝U_o(s)/U_i(s)＝1/Ts+1

其中：积分时间常数T＝(R₄+R_p)C，该积分电路实现对由图3中可调电位器R₃、R₄、R₅或R₆调定的电压信号(由图3中电压表V₃、V₄、V₅或V₆指示)进行积分，从而仿真实际电压反馈信号。同时其积分饱和输出即为可调电位器R₃、R₄、R₅或R₆调定的电压值，从而可以进一步仿真过电压(当由可调电位器R₃、R₄、R₅或R₆调定的电压信号大于由可调电位器R₁调定的仿真电压给定信号)或电压无法达到给定值(当由可调电位器R₃、R₄、R₅或R₆调定的电压信号小于由可调电位器R₁调定的仿真电压给定信号)等电压异常情况。另外，当调节可调电位器R_p使各仿真电压反馈的积分时间常数T不一致时，还可进一步模拟电压反馈不同步的电压异常情况。

油缸压力反馈仿真电路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，其输出0-10V可调电压；所述电压通过图3中可调电位器R₁₁调节，并由图3中电压表V₁₁指示

控制与保护电路，其与所述的电压给定仿真电路、电流给定仿真电路、若干电压反馈信号仿真电路、若干电流反馈信号仿真电路均相连接；

信号切换电路，其与所述的电压给定仿真电路、电流给定仿真电路、若干电压反馈信号仿真电路、若干电流反馈信号仿真电路均连接，用于实现实际信号与仿真信号之间的切换。

备用回路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，包括一给定积分电路，所述给定积分电路对可调电压信号进行积分；当上述电压、电流仿真给定或仿真反馈以及压力仿真反馈信号回路出现故障时，可用此备用回路替换(只需在图9所示的信号切换系统的接线做相应调整)。

本装置的电源电路可使用交流220V电源，一般可直接引自控制柜内电源，该交流220V电源通过断路器(Q₀，带辅助接点)，再经变压器变压与整流电路后输出±24V直流电源。

所述电流反馈信号仿真电路、电压反馈信号仿真电路的回路数量确定：回路数量取决于整流器的台数与电极升降液压缸的数量。一般直流电弧炉配置2-4台整流器，每台整流器实际具有一个电压反馈信号与一个电流反馈信号；电极升降一般由一个液压缸驱动，配置一个压力反馈信号。另外，配置一个公用电压给定与一个公用电流给定仿真模拟信号。本具体实施例按四台整流器配置，总共配置12个仿真模拟信号回路(一个电流给定仿真电路、一个电压给定仿真电路、四个电流反馈信号仿真电路、四个电压反馈信号仿真电路、油缸压力反馈仿真电路、一个备用信号回路)。

1、仿真模拟信号形式

一般由PT与CT检测的整流器实际电压与电流信号均转换为0-10V直流信号(对应0-100％量程)反馈给控制系统；同样，电极升降液压缸压力信号经压力变送器转换为0-10V直流信号(对应0-100％量程)反馈给控制系统；电压、电流设定值也采用0-10V直流信号(对应0-100％设定值)；故本装置仿真电压、电流、压力反馈信号及电压、电流设定仿真信号也采用0-10V直流信号(对应0-100％量程或设定值)。

2、直流模拟信号发生电路：

0-10V直流模拟信号的发生电路参见图3，其中R₀为1.4KΩ，电位计R₁-R₁₂两固定端电阻值均为12KΩ，当忽略电压指针表(V₁-V₁₂)内阻及包括控制系统模拟量输入板在内的后接电路输入电阻(一般远远大于10KΩ)影响，则A点电位：

$U_A=\frac{12/12}{1.4+12/12}\×24=10\left(V\right)$ (公式4)

故图中V_s1、I_s1、V₁₁-V₄₁、I₁₁-I₄₁、P₁及备用回路均可通过电位计R₁-R₁₂在0-10V范围内连续单独调节。每个0-10V直流电压模拟信号回路同时配置一个0-10直流电压指针表(V₁-V₁₂)，用以指示所模拟的整流器电压、电流仿真给定(参见4与5)及电压、电流仿真反馈最大值(不指示动态过程，参见图7)与电极升降液压缸压力仿真反馈信号值，以及备用回路电压模拟值，+10V对应100％量程或设定值。

3、电压给定仿真电路、电流给定仿真电路：

通常控制系统发送至整流器相同的电压与电流设定值(有时为电弧电压与电流设定值)，即使有些直流电炉具有偏弧控制模型(电流设定值不一致，一般相差5％)，但对于控制系统调试来将，采用相同的电压与电流设定值已完全满足要求。

电压与电流设定值仿真采用阶跃信号形式，通过开关K₀控制(参见图3)。当K₀合上，继电器JK₀与JK₂得电，电压给定V_s2与电流给定I_s2由0跳变到V_s1与I_s1(图4、5所示上升沿)；当K₀断开，则继电器JK₀与JK₂失电，电压给定V_s2与电流给定I_s2由V_s1与I_s1跳变到0(图4、5所示下降沿)。

其中，V_s0与I_s0为0-10V可调，如图3所示，通过可调电位计R₁与电位计R₂来实现，并通过电压表V₁、电压表V₂指示。

4、电流反馈信号仿真电路、电压反馈信号仿真电路

结合图3、图6所示：本发明的电压、电流反馈信号仿真电路主要为给定积分电路，所述给定积分电路由以下四部分组成：比较器、二极管桥、反相积分器、反相器。

①比较器(同相放大器)

当R₁＝R₂＝R₃＝Rf时，Ua＝Ui+Uc

②二极管桥

实现电压跟随，Ub＝Ua

同时保证输出限幅，-24V×Rp/(R₉+Rp)＜Ub＜+24V×Rp/(R₉+Rp)

③反相积分器

Uc＝-1/(R₄+Rp)∫Uidt

④反相器

Uo＝-Uc

综上所述，得Uo＝1/(R₄+Rp)∫(Ui-Uo)dt，为一惯性环节，其总传递函数为：

    G(s)＝U_o(s)/U_i(s)＝1/Ts+1                  (公式5)

其中：积分时间常数T＝(R₄+R_p)C，可通过调节R_p    (公式6)

其输入输出特性如图7所示。关键在于：①U_o对U_i信号做积分，仿真电压上升或下降过程；②上升或下降斜率(过度过程时间)通过电位计R_p可调；③U_o最大值限制在U_i。

5、油缸压力反馈仿真电路

结合如图3所示，该电路包括可调电位器R₁₁与电压表V₁₁。正常情况下电弧炉在冶炼过程中，随着电极升降运动，油缸压力在一定范围内波动，当压力异常下降时，依据不同的时间长度及与电压电流的相应关系等条件，系统判别为废钢中存在绝缘物或液压钢出现泄漏等不同形式的故障并采取相应的保护动作。从压力反馈信号仿真角度看，直接调节电位器R₁₁已可满足要求。

6、信号切换电路

仿真模拟的整流器电压、电流给定值与反馈信号及电极升降液压缸压力反馈信号与实际的上述给定与反馈信号通过继电器切换。该电路包括相联接的开关K₁、继电器JK₈-JK₁₉，系统正常工作时，图3中开关K₁打开，继电器JK₁与图8中继电器JK₈-JK₁₉失电，控制系统模拟量输入板通过切换继电器JK₈-JK₁₉的常闭接点1-9、4-12接收实际的整流器电压、电流给定值与反馈信号及电极升降液压缸压力反馈信号(图9)；当系统调试时，合开关K₁，继电器JK₁与JK₈-JK₁₉得电，控制系统模拟量输入板通过切换继电器JK₈-JK₁₉的常开接点5-9、8-12接收仿真模拟信号。

7、控制与保护电路(连锁保护)

为防止在电炉正常冶炼过程中，因误操作将仿真给定与反馈信号切入控制系统，利用总进线断路器Q₀辅助触点与继电器JK₁常开接点8-12信号来封锁系统运行(并联，起双保险作用)，参见图10。当进行模拟调试时，可在控制系统中通过信号强制取消此连锁，调试结束后必须立即恢复，具体为：当本装置交流220V电源开关Q₀合上或图3中实际控制信号与仿真控制信号切换开关K₁合上后，开关Q₀的辅助接点或继电器JK₁的接点将24V信号通过数字量输入点I_xx输入电极升降与整流控制PLC控制系统(参见图10)，通知控制系统本仿真系统投入运行，以实现相应的连锁与保护控制(在电极升降与整流控制系统设计中考虑)。

8、系统屏蔽与接地

因本模拟调节器可直接安装在控制柜内，故模拟反馈信号一般不需要采用屏蔽电缆，则实际反馈信号屏蔽线不做继电器切换。本装置电源地与保护地直接与控制系统相应接地点连接。

9、如实际整流器电压、电流反馈信号或电极升降液压缸压力采用0-20mA或4-20mA电流信号，则只需在给定积分电路后加配0-10V DC信号至0-20mA或4-20mA电流信号转换电路，仿真信号与实际信号继电器切换部分不变。

Claims (9)

1、直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，其特征在于，包括：

电源电路，其为电路提供直流电源；

直流模拟信号发生电路，其提供一固定的直流电压信号；

一个电流给定仿真电路，其与所述的直流模拟信号发生电路相连接，输出一可调电压；

一个电压给定仿真电路，其与所述的直流模拟信号发生电路相连接，输出一可调电压；

若干个电流反馈信号仿真电路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，各包括一给定积分电路，所述给定积分电路对可调电压信号进行积分；

若干电压反馈信号仿真电路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，各包括一给定积分电路，所述给定积分电路对可调电压信号进行积分；

模拟油缸压力反馈电路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，其输出一可调电压。

2、根据权利要求1所述的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，其特征在于，还包括一控制与保护电路，其与所述的电压给定仿真电路、电流给定仿真电路、若干电压反馈信号仿真电路、若干电流信号反馈电路均相连接。

3、根据权利要求1所述的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，其特征在于，还包括一信号切换电路，其与所述的电压给定仿真电路、电流给定仿真电路、若干电压反馈信号仿真电路、若干电流反馈信号仿真电路均连接，用于实现实际信号与仿真信号之间的切换。

4、根据权利要求1所述的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，其特征在于，还包括一备用回路，其与所述的电源电路、直流模拟信号发生电路相连接，包括一给定积分电路，所述给定积分电路对可调电压信号进行积分。

5、根据权利要求1或4所述的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，其特征在于，所述的电流给定仿真电路、电压给定仿真电路、若干个电流反馈信号仿真电路、若干个电压反馈信号仿真电路、油缸压力反馈仿真电路、备用回路均分别设有依次连接的可调电位器、电压表、继电器。

6、根据权利要求1所述的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，其特征在于，所述的电流反馈信号仿真电路、电压反馈信号仿真电路均为4个。

7、根据权利要求1所述的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，其特征在于，所述积分电路的总传递函数为：

      G(s)＝U_o(s)/U_i(s)＝1/Ts+1

其中：积分时间常数T＝(R₄+R_p)C。

8、根据权利要求1所述的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，其特征在于，所述的信号切换电路包括相联接的开关及若干继电器。

9、根据权利要求1所述的直流电弧炉的控制及保护功能的仿真模拟调试装置，其特征在于，所述的控制与保护电路包括相并联的断路器、继电器。

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